0 引言

2014—2016年，薛家湾地区高压隔离开关共发生故障589起，其中发热故障318起，占比为54%。对发热隔离开关处理后，在1个状态检修周期（3 a）内，又有131个隔离开关再次出现发热情况，返修率达41.19%，极大增加了检修成本和工作强度。

针对上述问题，对高压隔离开关热缺陷返修部位及返修原因进行了统计分析，通过建模仿真及现场试验，分析影响接触电阻和烧蚀面积的主要检修工艺，即镀层清洗、蚀点焊接、镀层修复工艺与温升的关系，通过改进现有检修工艺，降低高压隔离开关热缺陷返修率^[1-10]。

1 高压隔离开关热缺陷返修原因分析

薛家湾地区电网2014—2016年高压隔离开关热缺陷返修部位可归纳为5类：动静触头处、引线接线板、接地用扁钢与底座连接处、将军帽及接线柱。统计结果见表 1。

由表 1可见，动静触头处是主要返修部位。分析动静触头处热缺陷返修原因见表 2。

从表 2可见，接触面镀银层氧化和接触面烧蚀是导致动静触头处热缺陷返修的主要原因。其中，接触面氧化引起接触电阻增大，接触面烧蚀引起局部过热，两者均会造成接触面温度升高，需要仿真分析其与温升的关系。

2 建模仿真 2.1 高压隔离开关温度计算数学模型

当高压隔离开关一次回路通过电流时，由于回路存在电阻损耗与涡流损耗，导致隔离开关损耗部分能量，其单位长度能量损耗计算公式为：

(1)

式中：q —单位长度能量损耗；

V —单位长度通电部分体积；

J —总功率；

σ —总电流密度。

基于传热学相关理论，构建隔离开关传热模型，见公式（2）^[11-12]：

(2)

式中：ρ —材料密度；

c —材料比热容；

T —未知边界温度；

T₀—已知边界温度；

K_x、K_y、K_z — x、y、z方向导热系数；

v —温度沿边界S₁外法线方向n的方向导数；

α —对流散热系数；

K —导热系数；

t —时间。

2.2 相关参数设定

为确定接触电阻与烧蚀面积对温升的影响，搭建基于Simulink仿真平台的高压隔离开关数学模型并采用有限元分析方法进行返修后设备发热分析，设定公式（2）中相关参数数值如表 3所示。

2.3 不同接触电阻对接触面温升的影响

将一次回路中的负荷电流设置为200 A，并以50 μΩ接触电阻值为间隔，通过改变模型中电导率的参数值实现对接触电阻值的修改，测试接触电阻值在50~500 μΩ变化过程中基于温度场仿真计算的温升情况^[13]。由于不同接触电阻值情况下触头触指处温度场分布规律基本相同，因此可得到接触面温升情况，见图 1。

通过测试数据得出接触电阻R与接触面温升T′关系拟合曲线公式为T′=0.195R+20.13，曲线拟合度R²=0.99，说明二者存在强线性关联性。

2.4 不同烧蚀面积对接触面温升的影响

设置一次回路中负荷电流为200 A，接触电阻值为100 μΩ，烧蚀面积以10 mm²为间隔，从10 mm2到100 mm²递增。通过修改材料属性改变烧蚀面积^[14]，在温度场仿真环境下进行试验，得出不同烧蚀面积下接触面温升情况，见图 2。

通过测试数据得出烧蚀面积S与接触面温升T′关系拟合曲线公式为T′=0.0091S²+0.012S+5.33，曲线拟合度R²=0.99，说明二者存在强二次增长关联性。

3 现场试验分析 3.1 试验步骤

接触电阻和烧蚀面积的变化与检修工艺中的镀层清洗、蚀点焊接和镀层修复有关，表现为氧化层厚度、烧蚀点面积及镀银层厚度3个参数。为了能够准确测得接触面温升变化情况，在现场试验过程中将热电偶分别布置于动触头上侧、动触头下侧、热点、静触头上侧、静触头下侧及静触头远端，利用6个测温传感器共同对接触面温升进行测量。试验步骤为：

（1）隔离开关触头触指镀层材料为硬质银，接触压力值设置为400 N，负荷电流为200 A，表面有污秽（分为清洁、轻度与重度3个等级），测试其温升随电流变化情况。

（2）隔离开关动触头表面为重度污秽，分别采用百洁布、质量分数为25%的氨水及激光清洗机进行清洗，其余条件和步骤与（1）相同。

（3）隔离开关表面有不同面积烧蚀点，其余条件和步骤与（1）相同。

（4）隔离开关表面烧蚀面积为25 mm²，表面无污秽，分别采用电焊、氩弧焊与冷焊机对蚀点进行焊接，其余条件和步骤与（1）相同。

（5）隔离开关表面镀层厚度不同，其余条件和步骤与（3）相同。

（6）隔离开关表面为裸铜，分别采用化学沉银法、无氰电刷镀银法对镀层进行修复，表面无污秽，其余条件和步骤与（1）相同。

3.2 试验分析 3.2.1 不同污秽程度下的温升试验

根据步骤（1），首先进行接触面不同污秽程度模拟。清洁：接触面光洁，无氧化层；轻度污秽：在接触面撒入细微粉尘（二氧化硅），模拟轻度氧化环境；重度污秽：在接触面涂抹导电膏，再撒入细微粉尘，模拟接触面重度氧化环境。然后测试不同污秽程度下接触面温升拟合情况，结果见图 3。

从图 3可知，在清洁和轻度污秽程度下，接触面温升较为平缓，而在重度污秽条件下，接触面温升明显。说明接触面在轻度氧化时可以选择暂不处理或在周期性检修中适当进行处理即可，但是氧化层过厚时就需要及时进行处理，否则发热情况会随着通电时间增加而加剧。

3.2.2 针对重度污秽情况，采用不同清洗方法后温升试验

根据步骤（2），接触面在重度污秽情况下，分别采用百洁布、质量分数25%的氨水及激光清洗机进行清洗后，剩余氧化层厚度不同，将会导致接触电阻不同。通过测试3种方法清洗后热点温升变化情况（见图 4），可以确定清洗工艺对热缺陷返修的影响。

从图 4可知，采用百洁布清洗后剩余氧化层过厚，随着时间变化，接触面温升较采用质量分数为25%的氨水与激光清洗机清洗后变化迅速，稳定后相对热度高，说明容易引起返修后再次发热故障。而激光清洗机清洗氧化层效果良好，温升变化不明显。

3.2.3 不同污秽情况，不同烧蚀面积温升试验

根据步骤（3），进行接触面在不同污秽程度，烧蚀面积以10 mm²为间隔从10~100 mm²递增情况下的正交试验。接触面温升变化拟合情况见图 5。

从图 5可知，当接触面存在污秽时，热点稳态温升明显提高，且热点温度越高，随着烧蚀点面积增大温升变化显著。分析可知，烧蚀点面积在氧化层过厚时影响会凸显，所以需要对烧蚀点及时进行焊接。

3.2.4 烧蚀面积固定，采用不同焊接方法后温升试验

根据步骤（4），采用电焊、氩弧焊与冷焊机对烧蚀面积为25 mm²的烧蚀点进行焊接，焊接后烧蚀面积均有不同程度的缩小，通过测试3种方法焊接后接触面温升变化情况（见图 6），可以确定该工艺对热缺陷返修的影响。

从图 6可知，采用电焊机焊接后剩余烧蚀面积较大，随着时间变化，接触面温度较采用氩弧焊与冷焊机焊接后变化迅速，稳定后相对热度高，说明容易引起返修后再次发热故障。而冷焊机焊接效果良好，温升变化不明显。

3.2.5 不同污秽情况、不同烧蚀面积及不同镀层厚度下温升试验

根据步骤（5），进行接触面在不同污秽程度，烧蚀面积以10 mm²为间隔从10~100 mm²递增以及镀层厚度在磨损较重、轻度磨损及未磨损3种情况下的正交试验。接触面温升变化拟合情况见图 7。

从图 7可知，当接触面存在污秽且烧蚀面积较大时，热点稳态温升明显提高，且随镀层厚度增大温升显著变化，各曲线均符合该规律。分析可知，镀层厚度对接触面温升影响明显，所以需要及时修复镀层厚度至规定标准。

3.2.6 接触面为裸铜，采用不同镀层修复方法后温升试验

根据步骤（6），对于接触面为裸铜的触头触指，采用化学沉银法、无氰电刷镀银法对镀层进行修复，修复后镀层厚度均有不同程度的增加，通过测试两种方法修复后接触面温升变化情况（见图 8），可以确定该工艺对热缺陷返修的影响。

从图 8可知，采用化学沉银法修复后的接触面温升随时间变化较为明显，稳定后相对热度高，说明接触面氧化迅速，原因是镀银附着效果差，容易引起返修后再次发热故障。而采用无氰电刷镀银法后效果良好，温升变化不明显。

4 现场处理措施及效果 4.1 现场处理措施 4.1.1 清洗氧化层

现场进行试验时，发现采用激光清洗技术清洗氧化层效果好。激光清洗技术属于无接触式清洗，利用高能激光冲击形成急剧膨胀的等离子气体，产生冲击波击碎并清除氧化层。为展现其清洗效果，现场采用百洁布与激光清洗机对镀层进行清洗，清洗效果见图 9。采用两种方法清洗后，氧化层厚度测量结果分别见表 4。

从表 4可以看出，采用百洁布清洗过的氧化层厚度无法满足要求，而采用激光清洗机清洗过的氧化层厚度均小于0.02 mm，清除氧化层效果良好。

4.1.2 焊接烧蚀点

在现场进行试验时，分别采用电焊与冷焊机进行焊接。冷焊技术可以将焊接点瞬时温度提高至8000~10 000 ℃，等离子化状态的熔融金属以冶金的方式过渡到工件的表面。由于与母材之间产生了合金化作用，向工件内部扩散、熔渗，形成了扩散层，得到了高强度的结合。采用电焊与冷焊方式对烧蚀点焊接效果对比见图 10。焊接后烧蚀点面积对比见表 5。

从表 5可见，采用冷焊技术修复后，烧蚀点面积小于1 mm²，效果较好。

4.1.3 修复镀银层

现场进行试验时，发现采用无氰电刷镀银技术修复镀层效果好。利用无氰电刷镀银技术可以直接在裸铜上快速镀银，其附着效果良好，能够产生非常致密、光滑、结晶细致、极低孔隙、强焊接性能的银镀层。为展现其修复效果，现场采用化学沉银法与无氰电刷镀银法对镀层进行修复，效果对比见图 11。镀层厚度测量结果见表 6。

从表 6可见，采用化学沉银法修复镀层均匀度差，且镀层厚度均小于20 μm。而采用无氰电刷镀银技术镀银后，镀层厚度均匀且大于25 μm，满足Q/ ND 10501—2018《输变电设备状态检修试验规程》^[15]要求，镀银效果良好。

4.2 效果跟踪

采用上述措施后，在2017—2019年期间进行发热隔离开关返修次数统计，结果见表 7。

采用新工艺逐步修复清除接触面氧化层、烧蚀点及镀层后，高压隔离开关热缺陷返修率从41.19%降至7.75%，说明改进检修工艺后降低了高压隔离开关热缺陷返修率。

5 结论

通过对高压隔离开关热缺陷返修故障进行跟踪统计，结合高压隔离开关发热模型及相关理论进行仿真分析，证明了接触电阻及烧蚀面积与返修后接触面温升具有强相关性。通过现场对比试验并结合现有检修工艺，改进与接触电阻和烧蚀面积相关的接触面清洗、蚀点焊接及镀层修复工艺，改进后的检修工艺具有以下3个特点：

（1）采用激光清洗技术清洗后的接触面氧化层厚度小于0.02 mm，可有效降低接触电阻值。无接触式清洗不会在清洗过程对接触面造成二次污染，将延缓接触面氧化速度。

（2）采用冷焊技术修复接触面烧蚀点，可将烧蚀面积控制在1 mm²以下，减少接触面局部过热故障的发生。

（3）采用无氰电刷镀银技术修复的接触面镀层厚度均匀且大于25 μm，合格的镀银层可以极大延缓接触面氧化速度，大大降低返修后发热故障率。

采用上述改进工艺后，薛家湾地区电网2017— 2019年中高压隔离开关热缺陷返修率从41.19%降到7.75%，效果显著，对于高压隔离开关检修工作具有一定指导意义。